在使用基于PC的控制器时,控制系统设计师有必要特别关注信号调理方面的问题。
西门子负责输入/输出控制器以及软件产品的商业主管Bob Nelson说:“如果你采用的是一套标准的控制解决方案www.cechina.cn,例如一个可编程自动控制器(PAC),那么你就不必关心控制器的内部操作了,因为控制器生产商会为你解决这些问题。如果你采用的是一套基于PC的开放式控制环境——毫无疑问,这种开放性会为你带来巨大的灵活性——但是,这也同时意味着用户需要担负起更大的责任,以保证整套系统能够满足性能方面的要求,同时避免落入无法彻底整合系统各个部分的怪圈之中。”
那么,是什么原因使得控制工程师对此感到困惑而迷茫呢?
国家仪器主管信号调理产品的市场工程师Swapnil Padhye说:“当机器变得越发复杂时,控制信号就不仅仅局限于传统的数字“开关”信号,或者低速的模拟信号了。现代控制器要能够从复杂的传感器(诸如加速度传感器)上获取数据,并很快做出判断。基于PC的系统能够依靠自身强劲的处理器以及先进的软件反馈算法获得诸多优势。”
DIN金属框简化了将信号调理器模块整合到包括PC和PLC/PAC控制混合系统的过程。
来源:西门子和Control Engineering
所有的控制系统都拥有相同的结构
从一台干衣机到一台位于日内瓦Fermi实验室、直径为2公里(1.25英里)的一万亿伏加速器Tevatron,几乎所有的自动化系统都拥有相同的基本结构。这是一种经典的控制回路。当传感器接收到与设备有关的信息时,回路就被激活了。然后,这些信息会进入可编程控制器进行分析,控制器会向受控设备发出控制信号。控制器只能通过数据总线进行通讯CONTROL ENGINEERING China版权所有,因此输入信号必须由原始形式转换为数字形式,才能通过总线传送。数据采集(DAQ)电路会完成这项工作。
但是,一种DAQ电路是不可能对所有的传感器发出的信号作处理的。不同类型的传感器会发出截然不同的信号。例如www.cechina.cn,热电偶传感器会产生毫伏量级的信号。这样微小的信号需要被小心地接收,而且它与被测温度之间会有一点非线性关系。电阻式温度传感器测量的物理量也是温度,但它需要一个精确控制的激励电流。相同温度下,它输出的电压信号幅值可能比热电偶的输出大两个数量级。热敏电阻也是一种电阻设备,但它有负温度特性。因此,如果让恒定的电流流过热敏电阻从而产生电压信号,那么,这一电压信号将会随温度的升高而降低,而不是随之一起升高。
信号调理模块的作用就是把传感器产生的各种信号与DAQ电路输入端进行匹配。由于每种类型的传感器都有不同的信号调理要求www.cechina.cn,而许多种模块都可以满足某一个要求,因此用户需要先选择满足测量要求的传感器CONTROL ENGINEERING China版权所有,然后再选择满足传感器要求的信号调理模块。
最后,系统通过驱动电路将输出总线信号转换为合适的电信号(交流、直流、TTL逻辑信号等等),并提供充足的电能保证操作完成。
基于PC的控制技术与那些基于可编程逻辑控制器以及可编程自动控制器的传统控制技术相比,主要的不同之处在于封装方面。正如William Bolton在他所写的《可编程自动控制器》一书的第3页上所指出的:可编程逻辑控制器(PLC)是一种特殊的、基于微处理器的控制器。它通过可编程存储器存储指令,并执行诸如逻辑(操作)、排序、定时、计数、计算之类的功能,从而达到控制机器以及整个流程的目的。与之相对,个人电脑(PCs)是一种通用型数字计算机,适用范围相当广泛。
PLC或PAC生产商已经承担了挑选硬件及软件的任务,保证每一部分软硬件都适用于整个控制系统。正如Nelson所指出的,如果某位控制工程师选择了基于PC的控制器,他就是把选择软硬件的担子背在了自己身上。
这其中有有利的一面也有不利的一面,需要具体情况具体分析。但是,这样做确实给予了控制工程师很大的自由度来适应并调整控制系统,使之具备特殊的应用。
基本的信号调理
Padhye说:“信号调理的作用包括放大微弱信号,缩小过大的或不安全的信号,过滤噪声信号,隔离高压信号,为被动转换器提供激励信号以及把基于桥路的传感器电路补充完整。”
信号调理模块通常,但并不一定,包含用于处理模拟信号的模拟电路。一组模拟信号总是通过3个参数来表征的:幅值、频率和相位。信号调理电路正是针对这三个参数进行调节的。数据采集电路的入口端有一个模数转换器(ADC)。信号调理电路要把传感器的输出信号调制为满足这个ADC输入的信号。
幅值代表了信号的强弱。对电压信号而已,幅值就是它的峰值电压;对电流信号而已,幅值就是峰值电流;普通直流信号的幅值就是直流电压或直流电流本身的大小。信号调理电路通过增大增益倍数以及限制动态范围的方式调整幅值。
从信号调理的角度看,频率等价于带宽。大多数控制信号都不是单一频率的。即使是靠频率调制的信号(传感器的输出由信号频率变换化表示)